CN102637233A - 一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法，首先将叶片的叶身内型曲面和榫头内型曲面划分，其次再对划分得到的叶身前缘后缘曲面和榫头前缘后缘曲面划分，再次构造叶盆控制曲面和叶背控制曲面，最后由叶盆叶背控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面构造并缝合伸根内型曲面。通过本发明的使用，伸根内型与叶身内型及榫头内型连接处达到至少G¹连续，内部可达到G²连续，这样就生成一段较为光顺的伸根内型。并且通过更改前后缘曲面比例来更改过渡段反算生成的4张B样条控制曲面，用以控制伸根内型叶盆、叶背曲面的截面曲线及脊线，从而对整段伸根内型进行调整，得到比较满意的形状。

Description

一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片内型设计技术领域，具体为一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法。

背景技术

航空发动机叶片是航空发动机的关键部件，具有结构复杂、品种多、数量大、对发动机性能影响大、设计制造周期长等特点。航空发动机叶片中以带气冷结构的涡轮叶片最为复杂，它除了带有复杂的内腔结构外，在叶身和榫头之间还有一段具有复杂形状的伸根段(中间叶根)结构。伸根段结构在设计中要综合考虑内腔气流量、强度、涡轮盘和榫头结构以及叶片重量等要素，是一个非常复杂繁琐的设计过程。

国内相关人员针对航空发动机叶片造型方法进行了广泛而深入研究，并且初步实现了涡轮叶片参数化建模设计方法。但是针对叶片伸根段的建模研究较少，尤其鲜有对自由形状伸根的研究。自由形状的伸根可以使叶片在保证强度的情况下尽可能的轻，有效的保证叶片重量与强度之间的协调性。在叶片结构中，复杂的内腔结构需反阴为阳地体现在叶片内型上，所以针对伸根段的设计，一般先设计内型形状，然后再给出插值壁厚生成外型。要得到高质量的伸根段结构，就必须采用先进的伸根段内型建模设计方法。

现有伸根段设计方法主要是针对特定型号设计，伸根内型通过叶身内型上的某截面线以及榫头内型的顶截面线这两段封闭曲线直接插值生成封闭的曲面，由于叶身内型与榫头内型形状特征差别较大，这样的做法导致了伸根内型出现了明显的“脊”或“凹痕”，不具备良好的光顺性。并且其通用性不高，不能有效的解决伸根参数化设计问题。现有的CAD软件具有支持自由形状特征建模的功能，但是对于伸根段建模没有直接的特征方法。为此需要提出一种涡轮叶片伸根段内型参数化设计方法，以解决自由形状伸根参数化的问题，提高叶片伸根段的设计效率及其光顺性，并且具有较高的通用性。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中涡轮叶片伸根段建模方法的不足，本发明提出了一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法。

技术方案

本发明通过对多个自由曲面特征的分段构造以及对这些曲面的连续性限制，生成叶片伸根段内型，并通过特征参数的更改实现伸根内型参数化建模设计。

本发明的技术方案为：

所述一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：向三维造型软件中导入涡轮叶片的叶身内型数据模型和榫头内型数据模型，其中叶身内型数据模型和榫头内型数据模型采用U、V双参数表示；

叶身内型数据模型中的叶身内型截面线分为四段，分别为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线；与所述叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线位置对应，叶身内型数据模型中的叶身内型曲面分为叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面；

与所述叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面位置对应，榫头内型数据模型中的榫头内型曲面分为榫头内型叶盆曲面、榫头内型叶背曲面、榫头内型前缘曲面及榫头内型后缘曲面；

步骤2：比例分划叶身内型曲面的前缘曲面和后缘曲面：

将叶身内型曲面的前缘曲面按时针方向划分为三个曲面，分别为叶身前缘左曲面、叶身前缘中间曲面和叶身前缘右曲面，划分方法为：在叶身内型曲面U方向上保持参数恒定，在V方向上参数按百分比划分，其中叶身前缘左曲面和叶身前缘右曲面所占的百分比相同；

将叶身内型曲面的后缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向划分为三个曲面，分别为叶身后缘左曲面，叶身后缘中间曲面，叶身后缘右曲面，其中叶身后缘左曲面和叶身后缘右曲面所占的百分比相同；

步骤3：划分榫头内型前缘曲面和榫头内型后缘曲面：

当榫头内型曲面采用样条连接方式时，按照叶身内型曲面的前缘曲面的划分时针方向将榫头内型前缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头前缘左曲面和榫头前缘右曲面，将榫头内型前缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头前缘中间曲面；按照叶身内型曲面的后缘曲面的划分时针方向将榫头内型后缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头后缘左曲面和榫头后缘右曲面，将榫头内型后缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头后缘中间曲面；

当榫头内型曲面采用圆弧连接方式时，将榫头内型前缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头前缘左曲面、榫头前缘中间曲面和榫头前缘右曲面；将榫头内型后缘曲面按照与叶身内型曲面的后缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头后缘左曲面、榫头后缘中间曲面和榫头后缘右曲面；

步骤4：利用步骤2和步骤3中划分得到的曲面构造伸根段内型控制曲面，包括：

a：采用曲面反算得到表示叶身前缘左曲面与榫头前缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背左控制曲面，且叶背左控制曲面与叶身前缘左曲面以及榫头前缘左曲面G¹连续，叶背左控制曲面内部G²连续；

b：采用曲面反算得到表示叶身前缘右曲面与榫头前缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆左控制曲面，且叶盆左控制曲面与叶身前缘右曲面以及榫头前缘右曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

c：采用曲面反算得到表示叶身后缘左曲面与榫头后缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆右控制曲面，且叶盆右控制曲面与叶身后缘左曲面以及榫头后缘左曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

d：采用曲面反算得到表示叶身后缘右曲面与榫头后缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背右控制曲面，且叶背右控制曲面与叶身后缘右曲面以及榫头后缘右曲面G¹连续，叶背右控制曲面内部G²连续；

步骤5：采用叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶背曲面的曲面，定义为伸根内型叶背曲面；伸根内型叶背曲面与叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶背曲面内部G²连续；采用叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶盆曲面的曲面，定义为伸根内型叶盆曲面；伸根内型叶盆曲面与叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶盆曲面内部G²连续；

步骤6：采用伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶身内型前缘曲面的曲面和伸根内型对应叶身内型后缘曲面的曲面，分别定义为伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面；伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面分别与伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面内部G²连续；

步骤7：将伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面按时针顺序缝合连接，形成伸根段内型曲面。

有益效果

通过本发明的使用，伸根内型与叶身内型及榫头内型连接处达到至少G¹连续，内部可达到G²连续，这样就生成一段较为光顺的伸根内型。并且通过更改前后缘曲面比例来更改过渡段反算生成的4张B样条控制曲面，用以控制伸根内型叶盆、叶背曲面的截面曲线及脊线，从而对整段伸根内型进行调整，得到比较满意的形状。由于与叶身内型与榫头内型有紧密联系，当对这两段结构更改时，伸根内型会随之改变，采用本方法能够减少因部件更改带来的不便，并且可间接的对叶身内型(伸根内型选取顶截面线时)与榫头内型进行更改，以获得更好的伸根内型，实现参数化。而且本设计方法对三维软件的平台没有限制，可以运用此方法在多种软件平台，具有良好的通用性。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是导入的叶身内型及榫头内型的模型；

图中1-前缘曲面；2-叶背曲面；3-后缘曲面；4-叶盆曲面；5-榫头内型前缘曲面；6-榫头内型叶背曲面；7-榫头内型后缘曲面；8-榫头内型叶盆曲面；9-待生成伸根内型段；

图3是叶身内型前缘曲面划分后的曲面与榫头内型过渡段，通过反算生成的2张B样条曲面；

图中10-叶背左控制曲面；11-叶盆左控制曲面；12-叶盆右控制曲面；13-叶背右控制曲面；

图4是蒙皮法生成伸根内型叶盆、伸根内型叶背曲面；

图中14-伸根内型叶背曲面；15-伸根内型叶盆曲面；

图5是蒙皮法生成伸根内型后缘曲面；

图中16-伸根内型叶背曲面。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

现以某型叶片伸根段内型参数化设计过程为例描述本发明，本例的CAD软件设计环境为UG NX7.5软件。

本实施例中的一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法采用以下步骤：

步骤1：如图1所示，向三维造型软件中导入涡轮叶片的叶身内型数据模型和榫头内型数据模型，其中叶身内型数据模型和榫头内型数据模型采用U、V双参数表示；

叶身内型数据模型中的叶身内型截面线分为四段，分别为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线；与所述叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线位置对应，叶身内型数据模型中的叶身内型曲面分为叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面；

与所述叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面位置对应，榫头内型数据模型中的榫头内型曲面分为榫头内型叶盆曲面、榫头内型叶背曲面、榫头内型前缘曲面及榫头内型后缘曲面。

步骤2：比例划分叶身内型曲面的前缘曲面和后缘曲面：

将叶身内型曲面的前缘曲面按时针方向划分为三个曲面，分别为叶身前缘左曲面、叶身前缘中间曲面和叶身前缘右曲面，划分方法为：在叶身内型曲面U方向上保持参数恒定，在V方向上参数按百分比划分，其中叶身前缘左曲面和叶身前缘右曲面所占的百分比相同；

将叶身内型曲面的后缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向划分为三个曲面，分别为叶身后缘左曲面，叶身后缘中间曲面，叶身后缘右曲面，其中叶身后缘左曲面和叶身后缘右曲面所占的百分比相同；

本实施例中，按照顺时针方向，三等分划分叶身内型曲面的前缘曲面和后缘曲面。

步骤3：划分榫头内型前缘曲面和榫头内型后缘曲面：

当榫头内型曲面采用样条连接方式时，按照叶身内型曲面的前缘曲面的划分时针方向将榫头内型前缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头前缘左曲面和榫头前缘右曲面，将榫头内型前缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头前缘中间曲面；按照叶身内型曲面的后缘曲面的划分时针方向将榫头内型后缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头后缘左曲面和榫头后缘右曲面，将榫头内型后缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头后缘中间曲面；

当榫头内型曲面采用圆弧连接方式时，将榫头内型前缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头前缘左曲面、榫头前缘中间曲面和榫头前缘右曲面；将榫头内型后缘曲面按照与叶身内型曲面的后缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头后缘左曲面、榫头后缘中间曲面和榫头后缘右曲面；

本实施例中，榫头内型曲面采用样条连接方式，如附图3所示。

步骤4：利用步骤2和步骤3中划分得到的曲面构造伸根段内型控制曲面，包括：

a：采用曲面反算得到表示叶身前缘左曲面与榫头前缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背左控制曲面，且叶背左控制曲面与叶身前缘左曲面以及榫头前缘左曲面G¹连续，叶背左控制曲面内部G²连续；

b：采用曲面反算得到表示叶身前缘右曲面与榫头前缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆左控制曲面，且叶盆左控制曲面与叶身前缘右曲面以及榫头前缘右曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

c：采用曲面反算得到表示叶身后缘左曲面与榫头后缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆右控制曲面，且叶盆右控制曲面与叶身后缘左曲面以及榫头后缘左曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

d：采用曲面反算得到表示叶身后缘右曲面与榫头后缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背右控制曲面，且叶背右控制曲面与叶身后缘右曲面以及榫头后缘右曲面G¹连续，叶背右控制曲面内部G²连续；

本实施例中，将前缘左曲面和前缘右曲面分别与对应的榫头前缘左曲面和榫头前缘右曲面采用切矢连续的方式桥接(桥接过程在对应两个曲面之间建立过渡的B样条控制曲面)生成叶背左控制曲面及叶盆左控制曲面。同理，后缘左曲面和后缘右曲面分别与对应的榫头后缘左曲面和榫头后缘右曲面也进行相应的操作，生成叶背右控制曲面及叶盆右控制曲面。

步骤5：如图4所示，采用叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，其中以叶身内型的底截面线作为伸根段的顶截面线，以榫头内型的顶截面线作为伸根段的底截面线，使用蒙皮法，即在UG NX中通过曲线网格的操作，生成伸根内型对应叶背曲面的曲面，定义为伸根内型叶背曲面；伸根内型叶背曲面与叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶背曲面内部G²连续；采用叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶盆曲面的曲面，定义为伸根内型叶盆曲面；伸根内型叶盆曲面与叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶盆曲面内部G²连续；

步骤6：如图5所示，采用伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶身内型前缘曲面的曲面和伸根内型对应叶身内型后缘曲面的曲面，分别定义为伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面；伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面分别与伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面内部G²连续；

步骤7：将伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面按顺时针缝合连接，形成伸根段内型曲面。

通过对叶身内型前、后缘曲面分割比例，伸根段顶截面线、底截面线的变换，可以得到更为光顺的伸根内型。

Claims (1)

1.一种涡轮叶片伸根段内型参数化建模方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：向三维造型软件中导入涡轮叶片的叶身内型数据模型和榫头内型数据模型，其中叶身内型数据模型和榫头内型数据模型采用U、V双参数表示；

叶身内型数据模型中的叶身内型截面线分为四段，分别为叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线；与所述叶盆曲线、叶背曲线、前缘曲线和后缘曲线位置对应，叶身内型数据模型中的叶身内型曲面分为叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面；

与所述叶盆曲面、叶背曲面、前缘曲面和后缘曲面位置对应，榫头内型数据模型中的榫头内型曲面分为榫头内型叶盆曲面、榫头内型叶背曲面、榫头内型前缘曲面及榫头内型后缘曲面；

步骤2：比例分划叶身内型曲面的前缘曲面和后缘曲面：

将叶身内型曲面的前缘曲面按时针方向划分为三个曲面，分别为叶身前缘左曲面、叶身前缘中间曲面和叶身前缘右曲面，划分方法为：在叶身内型曲面U方向上保持参数恒定，在V方向上参数按百分比划分，其中叶身前缘左曲面和叶身前缘右曲面所占的百分比相同；

将叶身内型曲面的后缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向划分为三个曲面，分别为叶身后缘左曲面，叶身后缘中间曲面，叶身后缘右曲面，其中叶身后缘左曲面和叶身后缘右曲面所占的百分比相同；

步骤3：划分榫头内型前缘曲面和榫头内型后缘曲面：

当榫头内型曲面采用样条连接方式时，按照叶身内型曲面的前缘曲面的划分时针方向将榫头内型前缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头前缘左曲面和榫头前缘右曲面，将榫头内型前缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头前缘中间曲面；按照叶身内型曲面的后缘曲面的划分时针方向将榫头内型后缘曲面包含的两个导圆面定义为榫头后缘左曲面和榫头后缘右曲面，将榫头内型后缘曲面包含的中间竖直平面定义为榫头后缘中间曲面；

当榫头内型曲面采用圆弧连接方式时，将榫头内型前缘曲面按照与叶身内型曲面的前缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头前缘左曲面、榫头前缘中间曲面和榫头前缘右曲面；将榫头内型后缘曲面按照与叶身内型曲面的后缘曲面相同的划分方法，以及相同的时针方向和相同的划分比例划分为三个曲面，分别为榫头后缘左曲面、榫头后缘中间曲面和榫头后缘右曲面；

步骤4：利用步骤2和步骤3中划分得到的曲面构造伸根段内型控制曲面，包括：

a：采用曲面反算得到表示叶身前缘左曲面与榫头前缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背左控制曲面，且叶背左控制曲面与叶身前缘左曲面以及榫头前缘左曲面G¹连续，叶背左控制曲面内部G²连续；

b：采用曲面反算得到表示叶身前缘右曲面与榫头前缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆左控制曲面，且叶盆左控制曲面与叶身前缘右曲面以及榫头前缘右曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

c：采用曲面反算得到表示叶身后缘左曲面与榫头后缘左曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶盆右控制曲面，且叶盆右控制曲面与叶身后缘左曲面以及榫头后缘左曲面G¹连续，叶盆左控制曲面内部G²连续；

d：采用曲面反算得到表示叶身后缘右曲面与榫头后缘右曲面之间过渡段的B样条曲面，定义为叶背右控制曲面，且叶背右控制曲面与叶身后缘右曲面以及榫头后缘右曲面G¹连续，叶背右控制曲面内部G²连续；

步骤5：采用叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶背曲面的曲面，定义为伸根内型叶背曲面；伸根内型叶背曲面与叶背左控制曲面、叶背右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶背曲面内部G²连续；采用叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶盆曲面的曲面，定义为伸根内型叶盆曲面；伸根内型叶盆曲面与叶盆左控制曲面、叶盆右控制曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型叶盆曲面内部G²连续；

步骤6：采用伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面和榫头内型曲面控制截面曲线及脊线，使用蒙皮法生成伸根内型对应叶身内型前缘曲面的曲面和伸根内型对应叶身内型后缘曲面的曲面，分别定义为伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面；伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面分别与伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、叶身内型曲面以及榫头内型曲面G¹连续，伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面内部G²连续；

步骤7：将伸根内型叶背曲面、伸根内型叶盆曲面、伸根内型前缘曲面和伸根内型后缘曲面按时针顺序缝合连接，形成伸根段内型曲面。

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